Projekti / Programi
Termo- in foto-aktivne prevleke za okna
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.03 |
Tehnika |
Energetika |
Obnovljivi viri in tehnologije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T155 |
Tehnološke vede |
Prevleke in površinska obdelava |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
sol-gel tehnologija, termokromne in fotokatalitske prevleke, energetsko učinkovito okno, "zeleno" okno, strukturne, optične in funkcionalne lastnosti
Raziskovalci (23)
Organizacije (5)
Povzetek
Dandanes se veliko energije porabi za gretje in hlajenje zgradb. Njihovo najšibkejšo točko v smislu toplotnih izgub predstavljajo okna, zato ostaja velika potreba po nadaljnjih izboljšavah obstoječih oken s prevlekami, ki omogočajo pametno upravljanje s svetlobo in toploto (spremenljiva VIS transmitivnost, nizka emisivnost, IR modulacija, UV-rezi, zmanjšanje bleščanja in samočistilnost).
V projektu se bomo osredotočili na sintezo novih materialov na osnovi oksidov prehodnih kovin v obliki funkcionalnih prevlek za izdelavo “zelenih” oken: okoljsko in energijsko učinkovitih. S tem namenom smo oblikovali več delovnih sklopov, s katerimi bomo dosegli naše cilje: (i) priprava termokromnih prevlek na steklu in plastiki, (ii) priprava fotokatalitskih prevlek na steklu in plastiki ter UV-zaščitnih prevlek na lesu, (iii) njihova uporaba pri konstrukciji in modeliranju okna, (iv) raziskava njihovih fizikalno-kemijskih lastnosti v povezavi s funkcionalnimi karakteristikami okna – toplotno in svetlobno udobje, odstranitev onesnažil in samočistilna ter protizarositvena površina.
Priprava prevlek bo temeljila predvsem na nizkotemperaturnih sol-gel postopkih sinteze in uporabi pigmentnih disperzij. Za konstrukcijo “zelenega okna”, pri čemer bomo izhajali iz linije oken “Nature Optimo XLS” proizvajalca M SORA ter oknu dodali nove funkcionalne elemente, bomo uporabili tiste prevleke, ki bodo prej na laboratorijski ravni izkazovale visoko optično prepustnost (nizko motnost ~1%) in hkrati želene termokromne (TC) oz. fotokatalitske (PC) lastnosti.
TC učinek bomo dosegli s prevlekami na osnovi VO2, ki omogoča modulacijo transmisivnosti in refleksivnosti v bližnjem IR in termičnem IR spektralnem območju v odvisnosti od temperature. Temperaturo faznega prehoda iz polprevodniškega (NIR in IR prepustno) v kovinsko stanje (NIR vpojno in odbojno) TC prevlek na oknih bomo prilagodili tako, da bomo v VO2 dodali ustrezne dopante (W, Mo, itd.), medtem ko bomo z dodatkom Mg povečali njihovo prepustnost za vidni del sevanja sonca in spremembo celotne sončne prepustnosti pri faznem prehodu. Priprava pigmentnih disperzij bo izvedena z mletjem VO2 pigmentov v prisotnosti različnih disperzantov po že uporabljenih postopkih.
PC učinek bomo dosegli s prevlekami na osnovi TiO2, ki pod vplivom sončnega sevanja katalizira razgradnjo onesnažil in omogoča njihovo lažje izpiranje zaradi pojava fotoinducirane superhidrofilnosti na površini polprevodnika. Postopek priprave je osnovan na sintezi kislega vodnega sola s silikatnim vezivom ali disperzije, ki vsebuje fotokemijsko aktivne TiO2 nanodelce, v primeru vključevanja drugih polprevodnikov še ZrO2 ali SnO2 fazo. Tudi UV-zaščitni učinek za leseni okvir okna bo osnovan na pripravi pigmentnih disperzij iz UV absorberjev, kot so TiO2, CeO2 in ZnO. Formulacija raztopin oz. disperzij bo optimizirana za nanos na tri tipe podlag. Pri uporabi plastičnih podlag bomo morebitni razkroj podlage preprečili z dodatno vmesno zaporno plastjo ali s t.im. gradientnim nanosom tanke plasti.
Strukturne, mehanske in funkcionalne lastnosti pripravljenih prevlek bomo določali z različnimi metodologijami, ki jih projektni partnerji obvladujemo. Razumevanje vloge zasteklitvenih komponent na prehod svetlobe skozi okno in ravnotežje toplote bo doseženo tudi z uporabo računalniškega modeliranja. Modelne izračune bomo primerjali z eksperimentalnimi rezultati določanja Uw vrednosti na testnem zidu (MSR-ECO-500 IFT Rosenheim), ki omogoča definirati toplotno prehodnost skozi okno in meriti lokalne temperature na oknu ob različnih klimatskih pogojih. Sodelovanje štirih slovenskih raziskovalnih organizacij (UNG, KI, FKKT, FGG) in tujih raziskovalnih skupin ter slovenskega proizvajalca oken M SORA d.d. je dobro zagotovilo za uspešno izvajanje projektnih nalog s ciljem izdelave energetsko učinkovitejšega “zelenega” okna.
Pomen za razvoj znanosti
Sol-gel tanke plasti še niso dosegle stopnje razvoja, ki bi dovoljevala njihovo široko uporabo in povečini se uporabljajo premazi na osnovi organskih polimerov. Praktična uporaba prevlek z vključenimi dobro definiranimi nanodelci tudi ni razširjena, ker jo ovira dejstvo, da je aglomeracijo in flokulacijo težko preprečiti brez uporabe učinkovitih dispergatorjev. Ta predlog projekta predstavlja korak naprej k uporabi sol-gel tehnologije na pomembnem področju energijsko učinkovitih elementov zgradbe. Prednost je tudi v uporabi vodnih sistemov za pripravo sol-gel prevlek z vključenimi nanodelci. Rezultate projekta bo možno sorazmerno enostavno prenesti tudi na druga področja uporabe, kjer so potrebne tanke, vzdržljive in optično prepustne prevleke (zasteklitve sončnih toplotnih zbiralnikov, fotonapetostni moduli itd.).
Pomen za razvoj Slovenije
Skupni promet v industriji oken v Sloveniji dosega impresivnih 350 mio evrov letno. Presenetljivo je, da je ta denarni tok pridobljen s prodajo relativno enostavnih, standardiziranih oken, izdelanih iz plastičnih ali lesenih okvirjev in stekel. Kljub temu pa standard oken v Sloveniji narašča in lahko rečemo, da je tudi v svetovnem merilu povsem v vrhu. 80% kupcev še vedno kupuje za naše razmere standardna okna; to so lesena okna z 68 mm debelim okenskim profilom ter troslojno zasteklitvijo (Ug ( 0,7 W/m2K). Slednje opisane karakteristike pa so v svetovnem merilu že karakteristike vrhunskih, nizkoenergetskih oken. Nivo kvalitete pa še vedno iz leta v leto raste in želje ter zahteve strank po inteligentnih rešitvah v ali na oknu so vse večje. Lahko rečemo, da je klasična okna zaradi konkurence podjetij iz V Evrope vse težje prodati. Slovenska podjetja, ki so v samem vrhu evropske industrije oken, loči od ostalih podjetij visoka kvaliteta, prilagodljivost izvedbe ter uporaba najnovejših materialov in tehnologij na oknu. Povsem se zavedamo dejstva, da bomo samo z razvojem in vlaganjem v iskanje vedno novih rešitev in izboljšav vseh komponent okna ohranili tržni delež in polno proizvodnjo tudi v bodoče.
Učinkovito sodelovanje med različnimi laboratoriji in industrijami je potrebno za razvoj praktično uporabnih izdelkov z visoko znanstveno dodano vrednostjo, ki izhaja iz razvoja novih funkcionalnih materialov na osnovi nanoznanosti. To bo nedvomno doseženo v tem projektu; UNG, KI in FKKT se osredotočajo na temeljne raziskave, razvoj materialov, njihovo karakterizacijo in proizvodnjo funkcionalnih nanostrukturiranih prevlek, medtem ko bo znanje, kako uporabiti funkcionalne premaze kot aktivne plasti v konstrukciji okna, dobljeno s pomočjo modelnih izračunov, narejenih na FGG. Usklajevalno delovanje teh partnerjev bo zagotovilo ustrezno podlago znanja in materialov, potrebnih za podjetje M SORA za izgradnjo lažjega in energetsko učinkovitejšega okna, ki bo omogočalo inteligenten nadzor pretoka svetlobe v notranjosti zgradbe (in toplote v obratni smeri) in hkrati imelo t.im. samočistilno zmožnost. Predvidene so obsežnejše sinteze različnih nanostrukturiranih materialov, ki bodo izvedene z namenom omogočiti izdelavo prevlek v zadostnih količinah (fine kemijske sinteze) za proizvodnjo inteligentne zasteklitve, ki bo v končni fazi tega projekta uporabljena v M SORA oknu v realni velikosti.
Uspešen razvoj samočistilnih premazov ter ostalih nanostrukturiranih prevlek pomeni velik korak naprej v uporabi inteligentnih transparentnih površin na stavbnem ovoju, ki uporabniku omogočajo boljšo in lažjo uporabo. Potencial lastnosti, ki jih ti premazi prinesejo s sabo, je tako velik, da bi moral pritegniti pozornost večjih proizvajalcev stekel v Sloveniji ter Evropi. Epilog projekta bodo tako kratke predstavitve izdelkov vsaj petim proizvajalcem stekel po EU in pridobitev njihovega odziva na produkte, kar bi potem lahko vodilo do sklepanja novih industrijskih projektov in sodelovanj.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
